(57)【要約】  本発明は、測定用フランジ（１）を備えたトルク・センサ・デバイスに関する。前記測定用フランジ（１）は、可動部品と相互に作用してこの可動部品に生じるトルクを検出するように設計され、フランジ外環（３）とフランジ内環（４）とを有し、前記フランジ外環（３）と前記フランジ内環（４）は、トルクの作用を受けて変形するように設計された少なくとも二つの測定用スポーク（７）によって連結され、該測定用スポーク（７）は、前記測定用スポーク（７）に作用する半径方向の力から切り離すことができるように設計されている。さらに、本発明は、マニピュレータのジョイントの一つに少なくとも一つの駆動ユニットを有するロボット用のマニピュレータに関し、前記ジョイントには前記トルク・センサ・デバイスが具備されている。
2019537032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動部品と相互に作用して該可動部品にかかるトルクを検出し、かつ、フランジ外環（３）とフランジ内環（４）とを有する測定用フランジ（１）を含むトルク・センサ・デバイスであって、
前記フランジ外環（３）および前記フランジ内環（４）は、トルクの影響を受けて変形する、少なくとも二つの測定用スポーク（７）によって接続され、
前記測定用スポーク（７）は、該測定用スポーク（７）に作用する半径方向の力から切り離されるように構成されること
を特徴とする、トルク・センサ・デバイス。
【請求項２】
可動部品と相互に作用して該可動部品に生じるトルクを検出し、かつ、フランジ外環（３）とフランジ内環（４）とを有する測定用フランジ（１）を含むトルク・センサ・デバイスであって、
前記フランジ外環（３）と前記フランジ内環（４）とは少なくとも二つの測定用スポーク（７）によって接続され、該測定用スポーク（７）はトルクの影響を受けて変形するように構成され、
前記測定用スポーク（７）は、半径方向とずれる方向にフランジ外環（３）と係合すること
を特徴とするトルク・センサ・デバイス。
【請求項３】
前記測定用スポーク（７）が、前記フランジ内環（４）から半径方向に延在し、かつ、前記変形を検出する少なくとも一つのセンサ素子（９）が配置されたセグメント（８、１３）を有し、
前記センサ素子（９）用の前記セグメント（８、１３）に続いて、前記測定用スポーク（７）が、前記フランジ外環（３）の方に向かって、少なくとも二つの連結用支柱（１０）になるように広がっていること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトルク・センサ・デバイス。
【請求項４】
前記連結用支柱（１０）が、前記センサ素子（９）用の前記セグメント（８、１３）によって形成された対称軸に対し、鏡面対称に配置されていること
を特徴とする請求項３に記載のトルク・センサ・デバイス。
【請求項５】
前記連結用支柱（１０）は互いに鈍角を形成すること
を特徴とする、請求項３又は４に記載のトルク・センサ・デバイス。
【請求項６】
センサ素子（９）用のセグメント（８、１３）の、測定用フランジ（１）の軸方向の寸法は、測定用フランジ（１）の寸法より小さいこと
を特徴とする請求項３から請求項５のいずれか一項に記載のトルク・センサ・デバイス。
【請求項７】
前記センサ素子（９）用の前記セグメント（８、１３）の寸法が、前記測定用フランジ（１）の軸方向の寸法の半分に相当すること
を特徴とする請求項６に記載のトルク・センサ・デバイス。
【請求項８】
少なくとも一つの支持用スポーク（６）が二つの前記測定用スポーク（７）の間に配置され、かつ、前記フランジ内環（４）と前記フランジ外環（３）との間を半径方向に延在すること
を特徴とする請求項３から請求項７に記載のトルク・センサ・デバイス。
【請求項９】
支持用スポーク（６）が二つの前記測定用スポーク（７）から等長さに配置されること
を特徴とする請求項８に記載のトルク・センサ・デバイス。
【請求項１０】
前記支持用スポーク（６）の壁厚は、前記連結用支柱（１０）の壁厚に等しいこと
を特徴とする請求項８又は請求項９に記載のトルク・センサ・デバイス。
【請求項１１】
前記支持用スポーク（６）は、回転方向に隣接する前記連結用支柱（１０）と一緒に、一つの凹部（１１）の境界を定め、複数の前記凹部（１１）が前記支持用スポーク（６）に関して鏡面対称に配置されること
を特徴とする請求項８、９、又は１０に記載のトルク・センサ・デバイス。
【請求項１２】
前記少なくとも一つのセンサ素子（９）は、前記測定用スポーク（７）の前記セグメント（８、１３）の軸方向の面に配置されること
を特徴とする請求項３から請求項１１のいずれか一項に記載のトルク・センサ・デバイス。
【請求項１３】
前記少なくとも一つのセンサ素子（９）は、前記測定用スポーク（７）の前記セグメント（８、１３）の軸方向の面と一体となっていること
を特徴とする請求項３から請求項１１のいずれか一項に記載のトルク・センサ・デバイス。
【請求項１４】
４つの測定用スポーク（７）は複数のセグメント（８、１３）を有し、各セグメント（８、１３）には二つのセンサ素子（９）が設けられ、前記測定用スポーク（７）は回転方向に互いに等間隔に配置され、そして、
半径方向に対向する二つのセグメント（８、１３）の前記二つのセンサ素子（９）のすべてがブリッジ回路で接続されていること
を特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載のトルク・センサ・デバイス。
【請求項１５】
４つの測定用スポーク（７）には、それぞれ、二つのセンサ素子（９）毎にセグメント（８、１３）が設けられ、前記測定用スポーク（７）は回転方向に互いに等間隔に配置されており、そして、
回転方向に隣接する二つのセグメント（８、１３）の前記二つのセンサ素子（９）は、それぞれブリッジ回路で接続されていること
を特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載のトルク・センサ・デバイス。
【請求項１６】
一つのセグメント（８、１３）の前記二つのセンサ素子（９）は、各々ハーフブリッジで接続されていること
を特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載のトルク・センサ・デバイス。
【請求項１７】
前記センサ素子（９）は、少なくとも二つの歪みゲージを有する一つの多重せん断歪みゲージ装置として構成されること
を特徴とする請求項１２から請求項１６のいずれか一項に記載のトルク・センサ・デバイス。
【請求項１８】
測定用フランジ（１）を有するトルク・センサ・デバイスによってトルクを検出するための方法であって、
前記測定用フランジ（１）は、可動部品と相互に作用して該可動部品で発生するトルクを検出し、フランジ外環（３）とフランジ内環（４）とを有し、該フランジ外環（３）と該フランジ内環（４）は、前記測定用フランジ（１）の回転方向に等間隔に配置された４つの測定用スポーク（７）によって接続されており、該測定用スポーク（７）は、トルクの作用を受けて変形するように構成され、かつ、セグメント（８、１３）を有しており、該セグメント（８、１３）は、前記フランジ内環（４）から半径方向に延在し、かつ、前記変形を検出するための二つのセンサ素子（９）を中に置かれており、
前記方法は、
センサ素子（９）によって測定用スポーク（７）の変形を検出するステップと、
センサ素子（９）が生成した信号を二つのブリッジ回路によって評価するステップと
を含み、
半径方向反対側にあるセグメント（８、１３）の前記二つのセンサ素子（９）が、一つのブリッジ回路で接続され、かつ、一つのセグメント（８、１３）内の前記二つのセンサ素子（９）は、それぞれ前記ブリッジ回路の一つのハーフブリッジで接続されていること
を特徴とする方法。
【請求項１９】
測定用フランジ（１）を有するトルク・センサ・デバイスによってトルクを検出するための方法であって、
前記測定用フランジ（１）は、可動部品と相互に作用して該可動部品で発生するトルクを検出し、フランジ外環（３）とフランジ内環（４）とを有し、該フランジ外環（３）と該フランジ内環（４）とが、前記測定用フランジ（１）の回転方向に等間隔に配置された４つの測定用スポーク（７）によって接続され、該測定用スポーク（７）は、トルクの作用を受けて変形するように構成され、かつ、セグメント（８、１３）を有しており、該セグメント（８、１３）は、前記フランジ内環（４）から半径方向に延在し、かつ、前記変形を検出するための二つのセンサ素子（９）が中に配置され、そして、
前記方法は、
センサ素子（９）によって測定用スポーク（７）の変形を検出するステップと、
センサ素子（９）が生成した信号を二つのブリッジ回路によって評価するステップと
を含み、
回転方向に隣接するセグメント（８、１３）の前記二つのセンサ素子（９）は、それぞれ一つのブリッジ回路に接続され、かつ、一つのセグメント（８、１３）内の前記二つのセンサ素子（９）は、それぞれ前記ブリッジ回路の一つのハーフブリッジに接続されていること
を特徴とする方法。
【請求項２０】
ジョイントによって連結された複数のアームリンクを有するロボットのマニピュレータであって、
駆動装置によって動作することのできる少なくとも一つのジョイントによって、前記マニピュレータの第１リンクを前記マニピュレータの第２リンクへ回転自在に連結し、
前記ジョイントは、該ジョイント上で、または該ジョイント内で発生するトルクを検出するための、請求項１から請求項１７のいずれか一項に記載のトルク・センサ・デバイスを少なくとも一つ備えること
を特徴とするマニピュレータ。
【請求項２１】
請求項２０に記載のマニピュレータを少なくとも１台備えること
を特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トルク・センサ・デバイス、および前記トルク・センサ・デバイスによってトルクを検出するための方法、特にロボットのマニピュレータのジョイントで、またはジョイント内で発生するトルクのセンサデバイス、および検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット、特に軽量構造のロボットは、ジョイントを介して接続された複数のアーム部材または複数のリンクから構成された、多関節アームまたはマニピュレータを有し、前記関節またはジョイントは、マニピュレータの一つのアーム部材を、該アーム部材に隣接する該マニピュレータのアーム部材に対して選択的に回転させるために、この選択に対応した駆動ユニットによって駆動される。これらのロボットの重要な構成要素は、リンク自体の動きまたは外部から作用する力によって生まれるトルクを検出するためのトルクセンサである。ほとんどの場合、これらのトルクセンサは、ロボットのすべての可動リンクの中、または可動リンク上に設置されており、これによって、マニピュレータを柔軟に制御することができる。
【０００３】
トルクを検出するための様々なシステムが従来技術から公知になっている。一般的な方法では、部品のわずかな変形でも電気抵抗が変化するセンサ素子として歪みゲージを使用する。通常は、ブリッジ回路（いわゆるホイートストン測定ブリッジ）が評価に使用される。前記ブリッジ回路では温度の影響を補償することができ、このことが理由で、歪みゲージを用いた測定方法が精密測定に特に適することになる。例えば、特許文献１には、評価用の二つのホイートストンブリッジに接続されたセンサ素子として、歪みゲージを有するトルク・センサ・デバイスが記載され、二つの歪みゲージの各々の抵抗が、可動部材に接続された一つの部品の二つの異なる位置に配置され、各々の抵抗が一つのハーフブリッジに接続され、二つのハーフブリッジの各々がブリッジ回路を形成する。さらに別のブリッジ回路が、前記部品の二つのさらに別の異なる位置に配置された二つのさらに別の歪みゲージの抵抗によって形成される。次に、このようにして出力されたトルク値が互いに比較される。
【０００４】
さらに、前記部品の外でまたはその部品内で発生するトルクを検出するために、可動部品と相互に作用する測定用フランジまたは類似の装置を使用することが周知になっている。このような測定用フランジは、例えば、駆動ユニットからなるジョイントを用いて、又は駆動ユニットと一体となって、多関節アームロボットに接続することができる。
【０００５】
測定用フランジを有するトルク・センサ・デバイスは、例えば、特許文献２または特許文献３から公知である。
【０００６】
原理的には、前記従来技術におけるトルク検出のための上述のシステムおよび方法には以下に述べるような欠点がある。例えば、測定用フランジにかかる横力、軸力、および曲げモーメントによる歪みゲージの圧縮によって引き起こされる歪みゲージの変形によって、検出するべきトルク負荷とは無関係に様々な信号が発生する可能性があり、このさまざまな信号は、実際には存在しない測定誤差として信号評価部に入力される。信号評価における上述のような測定の不正確さ及び偏移を防止するために、特許文献４では、例えば測定用フランジを有するトルク・センサ・デバイスが提案されており、この測定用フランジは４つの均一に分散配置された測定用スポークを有し、それぞれ、前記測定用フランジの回転方向で見たときに、前記測定用スポークの二つの対向する側部に、二つの歪みゲージが配置されている。前記歪みゲージは、それぞれが、少なくとも二つのブリッジ回路に置き換えられるか、又は少なくとも二つのブリッジ回路に接続される。
【０００７】
しかしながら、上述のトルク・センサ・デバイスは、歪みゲージの数が多いために複雑な評価用電子回路を必要とし、また、ロボットの設計仕様によっては特定の半径方向の力が作用する可能性がある多関節アームロボット内の駆動ユニットには適していない。
【０００８】
マニピュレータは、例えば、特許文献５に記載されており、特許文献５では、多関節アームは二つの半殻状のハウジング構造によって形成され、該ハウジング構造では、組み立て中に駆動ユニットを多関節アームの部材／リンク間のジョイント内にクランプ固定する。これにより、一定の許容誤差の条件下では、半径方向に永久的に作用する力が組み立て後に発生し、この力が測定用フランジ内、ひいては半径方向を向いた測定用スポークに伝わり、吸収されるべき、すなわちセンサ素子によって検出されるべき、前記測定用スポークの変形に悪影響を及ぼす恐れがある。
【０００９】
また、測定用フランジに作用する力が発生する可能性がある。この力は、例えば、マニピュレータの自重によって生じる梃の作用によって発生し、それによって、特に、完全に延伸して伸び切ったマニピュレータでは、マニピュレータの自重が最も大きな影響を及ぼす。また、駆動ユニット内で使用される伝動装置またはギア機構は、電動駆動モータからの必要な減速を伝えるが、減速のために軸方向に作用する力を、測定用フランジ、特にリンクの軸の近傍に加える場合がある。
【００１０】
マニピュレータ、特に軽量構造のロボットのマニピュレータのトルクを、高い精度で測定するため、さらに、誤差のないコンプライアンス制御を行うためには、マニピュレータの制御に悪影響を及ぼす要因を可能な限り除去する、または低減することが必要である。このことは、例えば特許文献５に記載されているように、特に軽量構造マニピュレータに当てはまる。
【００１１】
トルクを非常に正確に測定するために、さらには、マニピュレータ、特に軽量構造のロボットの誤差のないコンプライアンス制御を実現するために、マニピュレータに影響を及ぼす負の要因を可能な限り除去または低減することが必要である。これは、例えば、特許文献５に記載されているような、軽量構造マニピュレータで特に必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】国際特許出願第２００９／０８３１１１（Ａ２）号公報
【特許文献２】欧州特許第０５７５６３４（Ｂ１）号公報
【特許文献３】ドイツ特許出願第３６０５９６４（Ａ１）号公報
【特許文献４】ドイツ特許出願第１０−２０１４−２１０−３７９（Ａ１）号公報
【特許文献５】ドイツ特許出願第１０−２０１５−０１２−９６０．０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、本発明の目的は、上述の従来技術における欠点を回避することができ、かつ、より正確に小さい誤差でトルクの検出が可能なトルク・センサ・デバイスおよびトルク検出方法を提供することである。さらに別の目的は、上記目的に合うように改良された、ロボット用のマニピュレータまたは多関節アームと、上記目的に合致するロボットと、を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的は、本発明によれば、請求項１または請求項２に記載のトルク・センサ・デバイス、請求項１８または請求項１９に記載のトルク検出方法、請求項２０に記載のマニピュレータ、及び、請求項２１に記載のロボットによって達成される。
【００１５】
トルク検出に関わる本発明によるトルク・センサ・デバイスおよびトルク検出方法は、基本的に、可動部品で発生するトルクを検出する必要のある、あらゆる応用を対象としている。本発明によるトルク・センサ・デバイスおよびトルク検出方法は、特に、それだけには限らないが、ロボット工学における応用、例えば、軽量構造ロボットの多関節アームに関連する応用、および、特に、上述のような多数の部品から成るハウジング構造を有するマニピュレータにおける応用に適している。
【００１６】
第１の実施形態では、本発明は、可動部品にかかる、又は可動部品で発生するトルクを検出するために、可動部品と相互に作用するように設計され構成された測定用フランジを有するトルク・センサ・デバイスを提供する。前記測定用フランジは、フランジ外環とフランジ内環とを有し、前記フランジ外環とフランジ内環とは、トルクの影響によって変形するように設計かつ構成された少なくとも二つの測定用スポークによって連結されている。前記測定用スポークは、該測定用スポークに作用する半径方向の力から切り離されるように設計、構成されている、または、測定用スポークに作用する半径方向の力から該測定用スポークを切り離すことのできる手段を有する。
【００１７】
上述のように、上述の切り離しは、例えば、アーム部材のハウジング構造の組み立て中のある状況下で起こり得るような、測定部に対して主に半径方向に作用する力が前記測定用スポークに作用しないようにすることができ、その結果、トルク検出中に起こる測定用スポークの変形が、上述のような妨害力によって影響を受けないようにする手段であると理解できる。
【００１８】
第２の実施形態では、本発明は、可動部品で発生するトルクを検出するために、可動部品と相互に作用するように構成された測定用フランジを有するトルク・センサ・デバイスを提供する。前記測定用フランジは、フランジ外環とフランジ内環とを有し、前記フランジ外環とフランジ内環とは、トルクの影響があると変形するように設計された少なくとも二つの測定用スポークによって連結されている。前記測定用スポークは、半径方向からずれた方向に前記フランジ外環と係合するように設計されている、または、前記測定用スポークが、半径方向からずれた方向に前記フランジ外環と係合させる手段を有する。
【００１９】
半径方向に対して偏心している測定用スポークとフランジ外環との切り離し、または接続のために、本発明による好ましい実施形態では、トルク・センサ・デバイスの設計は、測定用スポークに、フランジ内環から半径方向に延在するセグメントであって、内部に変形を検出するためのセンサ素子が少なくとも一つ配置されたセグメントが含まれ、前記センサ素子用の前記セグメントに続いて、前記測定用スポークが、前記フランジ外環に向かう少なくとも二つの連結用支柱になるように広がるか又は分割されるように、設計されている。これは、前記連結用支柱が、残りの測定用スポークの半径方向の延長上、すなわち前記少なくとも一つのセンサ素子のための前記セグメントの半径方向延長上にはない位置で、前記フランジ外環と係合することを意味する。
【００２０】
好ましくは、前記連結用支柱は、前記センサ素子用の前記セグメントによって形成された対称軸に関して鏡面対称に配置され、かつ、互いに鈍角を形成する。
【００２１】
このように配置された連結用支柱は、前記センサ素子用の前記セグメントに外側から垂直に、すなわち半径方向に作用する力に従う。したがって、このような半径方向の力は、前記測定用スポークの前記セグメントには伝わらない、またはごくわずかしか伝わらない。それによって前記測定用スポークの前記セグメントは、前記フランジ外環に対して半径方向外側に切り離される。前記センサ素子用の前記セグメントに左右から作用する力は、これらの力が前記センサ素子を迂回することができるように、前記連結用支柱によって支持され収容される。
【００２２】
半径方向の力から前記測定用スポークをさらに切り離すことは、前記フランジ内環と前記フランジ外環との間を半径方向に延在する二つの測定用スポークの間に、少なくとも一つの支持用スポークを配置することによって達成される。この支持用スポークは、前記二つの測定用スポークから等距離に置かれ、好ましくは、前記連結用支柱と略等しい壁厚を有する。それぞれの場合において、前記支持用スポークは、回転方向に隣接する前記連結用支柱と一緒に凹部の境界を定め、該凹部は、前記支持用スポークに対して鏡面対称に配置されている。
【００２３】
前記センサ素子用の前記セグメントの位置で、横方向だけでなく半径方向に直接作用する力の場合には、一方に前記連結用支柱を有する測定用スポークを置き、他方に前記支持用スポークを置く特別な構成によって、外側から内側へ向かう大部分の力が前記支持用スポークを介して確実に伝達されるようにできる。前記センサ素子に作用するトルクに対しては、前記セグメントは測定を妨害する力の影響を受けておらず、前記センサ素子はトルクによって誘起された変形のみに対して反応する。
【００２４】
このセグメントの材料は、前記測定用スポークの前記センサ素子用の部分に負荷がかかると変形するが、それは検出するべきトルクによるものか、あるいは、場合によっては干渉している妨害的な力に関係する。結果的には、前記セグメントの材料の表面は、単に、簡単に圧縮または伸張されるだけではなく、前記測定用スポーク、または前記センサ素子用のセグメントの圧力、および長さが有限なことによって、湾曲もできてくる。しか
しながら、そのような湾曲は、やはり、前記センサ素子の測定動作に悪影響を及ぼす。
【００２５】
測定結果への上述のような影響を回避するために、さらに別の好ましい実施形態において、本発明は、センサ素子用のセグメントが、測定用フランジの軸方向において、測定用フランジの寸法より小さい寸法を有することを提案する。特に好ましくは、前記センサ素子用のセグメントの寸法は、測定用フランジの軸方向の寸法の半分になり、それによってポケットを形成することができる。このようにして、測定用フランジの軸方向から見て、前記センサ素子を正確にセグメントの中央に配置することが可能になる。この地点では、歪みは、仮にあったとしても可能な限り小さくなり、変形の検出に及ぼす影響は最も小さくなる。
【００２６】
測定用フランジは、例えばアルミニウム製の一体部品として鋳造および／またはフライス加工することが好ましく、それによって前記ポケットは、次に、フライス加工して、測定用スポークのセグメントにすることができる。
【００２７】
本発明によるさらに別の好ましい実施形態では、少なくとも一つのセンサ素子が測定用スポークのセグメントの軸の表面に配置されている。該センサ素子は、適切な方法で測定用フランジに接続されているプリント回路基板上の測定用及び評価用の電子回路の端部に面するように、前記セグメントの表面を覆うように平面的に配置されている。
【００２８】
好ましくは、センサ素子は、歪みゲージがよく、特に好ましくは歪みゲージ・ロゼット、または多重剪断歪みゲージ装置がよい。そのような歪みゲージは箔構造体の中にあり、簡単な方法で前記ポケットの表面に接着結合し、測定用スポークと共に変形するようにできる。また、前記歪みゲージを前記表面に接着によって固定することもできる。歪みゲージは、すでに少し膨張または圧縮しても抵抗値が変化するので、以下で説明するブリッジ回路に接続してトルクを高精度に測定することに適している。
【００２９】
しかしながら、代替的に、少なくとも一つのセンサ素子を測定用スポークのセグメントの軸の表面に一体化することもできる。例えば、前記の組み込みに適した測定構造は、これらの測定構造を、例えばレーザー加工、削り取り、エッチングなどによって挿入するかまたは蒸着させることによって、前記セグメントの表面に適用することができる。しかしながら、原理的には、集積化された増幅器および／または評価用電子回路を有する、より複雑なセンサーユニットもまた使用することができる。
【００３０】
センサ素子の選択に関係なく、本発明によれば、センサ回路を次のように配置する。すなわち、複数のセンサ素子間の中心からの長さが、該センサ素子がセンサ回路へ接続される、該センサ素子の複数の接続面であって同一半径上にある複数の接続面の前記中心からの長さと同じ長さになる位置にあるプリント回路基板上の位置に常にセンサ回路を配置する。このようにして、この点の位置がセンサ素子と同程度に変形するので、前記センサ回路が前記センサ素子に対して常に静止したままになる。その結果、確実に、前記接続面が、例えば引張荷重または圧縮荷重によって測定結果に悪影響を及ぼさないようにすることができる。
【００３１】
本発明によるさらに別の好ましい実施形態では、センサ素子の選択とは関係なく、四つの測定用スポークが、二つのセンサ素子が配置されるセグメントをそれぞれ有し、該測定用スポークが回転方向に等間隔に配置され、半径方向に互いに対向する二つのセグメントのすべての前記センサ素子はブリッジ回路で接続されている。
【００３２】
代替的には、それぞれが二つのセンサ素子用のセグメントを有する四つの測定用スポークの場合、回転方向に隣接する二つのセグメントのセンサ素子をそれぞれブリッジ回路で接続することもできる。
【００３３】
これらのブリッジ回路は、２つの並列分圧器からなるホイートストンブリッジ回路として構成することが好ましく、それにより、それぞれの場合において一つの分圧器はハーフブリッジを形成する。前記分圧器は、それぞれ直列に配置された２つの抵抗によって形成されている。前記センサ素子、特に歪みゲージは、前記ブリッジ回路内でセンサ素子に対応する可変抵抗を形成し、隣り合うセンサ素子の抵抗変化はブリッジ電圧に反対の効果を及ぼす。これに対し、対向するセンサ素子の抵抗変化はブリッジ電圧に同じ効果を及ぼす。
【００３４】
両方の場合において、一つのセグメントの複数の前記センサ素子は、前記フルブリッジ内で一つの分圧器を構成するハーフブリッジになるように接続される。
【００３５】
上記趣旨で、本発明はまた、測定用フランジを有するトルク・センサ・デバイスによってトルクを検出する方法に関する。該測定用フランジは、可動部品と相互に作用してこの可動部品に発生するトルクを検出するように設計され、フランジ外環とフランジ内環とを有し、該フランジ外環と該フランジ内環とは、前記測定用フランジの回転方向に等間隔に配置された四つの測定用スポークによって接続されている。前記四つの測定用スポークは、トルクの影響を受けて変形するように設計されており、前記フランジ内環から半径方向に延在するセグメントを有し、該セグメントの中に変形を検出するための二つのセンサ素子が配置されている。前記方法は、
−  前記センサ素子によって前記測定用スポークの変形を検出するステップと、
−  前記センサ素子によって生成された信号の評価を二つのブリッジ回路によって行うステップであって、
半径方向に対向する複数のセグメント内の複数のセンサ素子のそれぞれが、一つのブリッジ回路に接続され、一つのセグメント内の複数の前記センサ素子はそれぞれ前記ブリッジ回路のハーフブリッジに接続されている。
【００３６】
別の実施形態では、本発明は、測定用フランジを有するトルク・センサ・デバイスによってトルクを検出する方法を提案する。前記測定用フランジは、可動部品と相互に作用して、この可動部品に生じるトルクを検出するように設計されており、フランジ外環とフランジ内環とを有し、該フランジ外環と該フランジ内環とは、前記測定用フランジの回転方向に等間隔に配置された４つの測定用スポークによって接続され、前記測定用スポークが、トルクの影響を受けて変形するように設計され、前記フランジ内環から半径方向に延在し、前記セグメント内に変形を検出するための二つのセンサ素子が配置されている。前記方法は、
−  前記センサ素子によって前記測定用スポークの変形を検出するステップと、
−  前記センサ素子によって生成された信号を二つのブリッジ回路によって評価するステップとを含み、
前記回転方向に隣接するセグメントの前記センサ素子は、それぞれ一つのブリッジ回路内で接続され、一つのセグメントの複数の前記センサ素子は、それぞれ、前記ブリッジ回路のハーフブリッジに接続されている。
【００３７】
さらに、本発明は、また、ジョイントによって接合された複数のリンクを有するロボットのマニピュレータに関し、駆動装置によって動くことのできる少なくとも一つのリンクによって、前記マニピュレータの第１のリンクが前記マニピュレータの第２のリンクに回転可能に接合され、前記ジョイントは、該ジョイント上で、または該ジョイント内で発生するトルクを検出するための上述の実施形態のうちの一つに基づく、少なくとも一つのトルク・センサ・デバイスを含む。本発明は、また、上述のようなマニピュレータを少なくとも一つ有するロボットに関する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
本発明のさらに別の特徴および利点は、添付の図面を参照して説明する典型的な実施形態の記載から明らかになる。添付の図面には以下がある。
【図１】本発明によるトルク・センサ・デバイスの分解斜視図である。
【図２】測定用フランジのセンサ側の面の平面図である。
【図３】前記測定用フランジの駆動装置側の面の平面図である。
【図４ａ】本発明による第１のスイッチ装置を概略的に示す。
【図４ｂ】前記第１のスイッチ装置に関連する第１のブリッジ回路を示す。
【図４ｃ】前記第１のスイッチ装置に関連する第２のブリッジ回路を示す。
【図５ａ】本発明による第２のスイッチ装置を概略的に示す。
【図５ｂ】前記第２のスイッチ装置に関連する第１のブリッジ回路を示す。
【図５ｃ】前記第２のスイッチ装置に関連する第２のブリッジ回路を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１は、本発明によるトルク・センサ・デバイスを分解図で例示したものである。
【００４０】
センサおよび評価用電子回路を搭載するプリント回路基板２は、測定用フランジ１に向かい合って置かれる。測定用フランジ１は、ロボットのマニピュレータのジョイント用駆動ユニット（図示せず）を可動部品へ接合する回転不能な接続部として機能する。プリント基板２は、測定用フランジ１に回転しないように接続されている。
【００４１】
図２は、測定用フランジ１のセンサ側の面の平面図を示す。これに対し、図３は、図２と反対側の面である、この測定用フランジ１の駆動ユニット側に向いた面を示す。
【００４２】
測定用フランジ１は、好ましくは、一体のアルミニウム部品としてフライス加工され、本発明により定義された幾何的構造を有する。
【００４３】
この目的のために、測定用フランジ１は、フランジ外環３とフランジ内環４とから構成される。ハブ５は、フランジ内環４から駆動ユニットまで軸方向に延在する。
【００４４】
フランジ内環４とフランジ外環３との間には、複数の接続要素が設けられている。例えば、測定用フランジ１は、フランジ内環４とフランジ外環３との間を半径方向に延在する４つの支持用スポーク６を９０°の等間隔で有している。
【００４５】
４つの測定用スポーク７が支持用スポーク６の間にそれぞれ等しい間隔で、すなわち９０°だけずれて設けられている。
【００４６】
本発明によれば、測定用スポーク７は、各々、一つのセグメント８から構成され、セグメント８はフランジ内環４から半径方向に延在してセンサ素子９を収容するように働き、センサ素子９は、本実施形態では、多重剪断歪みゲージ（歪みゲージ）として設計されている。
【００４７】
フランジ外環３に対して、測定用スポーク７の一つのセグメント８は、二つの連結用支柱１０に分割されており、連結用支柱１０は、セグメント８に対して鏡面対称に配置され、好ましくは略１２０〜１５０°の範囲の鈍角を形成する。連結用支柱１０は、半径方向からずれる方向でフランジ外環３に連結されている。
【００４８】
このようにして、歪みゲージ９を有するセグメント８は、半径方向に作用するいかなる力からも切り離すことができる。
【００４９】
次に、半径方向の力が、主にフランジ外環３とフランジ内環４との間にある支持用スポーク６を介して伝達される。
【００５０】
連結用支柱１０と支持用スポーク６とは同じ壁厚を有し、それぞれの場合において一緒になって凹部１１の境界を定める。凹部１１は、測定用フランジ１の円周方向に対称かつ一様に配置されている。連結用支柱１０とフランジ外環３とは、また、対応する凹部１２も含む。
【００５１】
これらの凹部１１および１２の配置および幾何形状は、特にその内半径も、測定用スポーク７のセグメント８へかかるすべての干渉力、妨害力が回避され、または少なくとも大きく減衰されるように選択される。その結果、セグメント８は、歪みゲージ９によって検出されるべきトルクに誘起される変形のみを受けるようになる。
【００５２】
図１から分かるように、セグメント８の表面の湾曲によって起こされる測定結果への悪影響を避けるために、セグメント８は、測定用フランジ１の材料の厚さに比較して材料の厚さが軸方向に薄くなっており、それによって歪みゲージ９を収容するように働くポケット１３を形成する。
【００５３】
図４ａ〜４ｃは、本発明による測定用フランジ１に接続されて使用される前記接続部または回路と、ポケット１３内に置かれた歪みゲージ９の第１の実施形態を示す。
【００５４】
４つの測定用スポーク７が各々４つのセンサ素子９を有し、そのうちの二つの測定用スポーク７が各々互いに対向して配置されている場合、歪みゲージ９はちょうど二つのフルブリッジによって接続されるか、または二つのフルブリッジによって切り替えられる。このフルブリッジは、互いに対向するハーフブリッジを有する。
【００５５】
上述のような構成により、一つのフルブリッジ内の「圧潰」、すなわちセグメント８の変形、の方向は、測定用フランジ１の軸の両側で異なるが、センサによって検出された信号が全体としては変化しないようにクォーターブリッジが各々励起されるので、前記変形は大部分が事前に補償されている。
【００５６】
剪断歪みゲージ９の各々は、互いに直角にずれた二つの歪みゲージ構成を有し、剪断歪みゲージ９の各々の頂点は半径方向、すなわちＤ１１とＤ１２、Ｄ２１とＤ２２、Ｄ３１とＤ３２、及びＤ４１とＤ４２の方向に向けられている。図４ｂと図４ｃ、および図５ｂと図５ｃにおいて、これらの符号は分圧器内の変化する可変抵抗に対応する。
【００５７】
第１のフルブリッジ（図４ｂ）は、半径方向に対向する歪みゲージ９からなるブリッジ回路によって形成され、第１のハーフブリッジとしてＤ１１とＤ１２を有し、第２のハーフブリッジとしてＤ３２とＤ３１を有する。同様に、第２のフルブリッジ（図４ｃ）が、第１のハーフブリッジとしてＤ２１とＤ２２からなるブリッジ回路、および第２のハーフブリッジとしてのＤ４２とＤ４１からなるブリッジ回路として形成される。前記第１および第２のフルブリッジは、測定用スポーク７と同様に、互いに９０°ずれている。
【００５８】
既に述べたように、多関節アームロボットのマニピュレータが有する問題は、特にマニピュレータが伸張し延びきった状態で傾動モーメントが測定用フランジ１にかかり、測定用スポーク７の変形に影響を及ぼす、したがって測定結果に影響を及ぼす可能性があることである。
【００５９】
測定用フランジ１の前記「傾動」または「クランピング」は、上述のように、二つのフルブリッジを有する選択された電気回路によって補償することができる。この理由は、第２のフルブリッジが第１のフルブリッジに対して９０度ずれていることにより、第１のフルブリッジに影響を及ぼす力と同じ力が、同じ回路構造を持つ第２のフルブリッジにまったく反対の影響を及ぼすからである。したがって、前記傾動モーメントの影響を補償するためには、両方のフルブリッジからの平均値を算出するだけで十分である。
【００６０】
図５ａから図５ｃは、歪みゲージ９のさらに別の可能な接続または回路を示す。
【００６１】
ここで、第１のハーフブリッジとしてのＤ１１およびＤ１２は、第２のハーフブリッジとしてのＤ４２およびＤ４１と組み合わされて、第１のフルブリッジ（図５ｂ）になる。第２のフルブリッジ（図５ｃ）は、第１のハーフブリッジとしてのＤ２１およびＤ２２と、第２のハーフブリッジとしてのＤ３２およびＤ３１とによって形成されている。
【００６２】
軸の近にある測定用フランジ１に軸方向の圧力を加える駆動ユニットのギアの影響を最小にするためには、上述の回路の対称性によって全ての歪みゲージ９に均一に負荷がかけられるので、この回路の対称性が適している。この意味は、合計では、すべての歪みゲージ９が伸張して抵抗が増加するか、またはすべての歪みゲージ９が圧縮されて抵抗が減少するかのいずれかであるので、信号全体での偏りは生じないということであり、全ての歪みゲージ９は、加えられたギアの圧力に対して等しい角度にあるので、伸張又は圧縮の程度が常に均一であるということである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【国際調査報告】
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